Основания и фундаменты нефтегазовых сооружений

Поскольку при назначении высоты ростверка свайного фундамента слабый грунт не является проблемой, высоту ростверка назначаем из конструктивных соображений, назначаем 1,51 м. Тогда при отметке планировки-0,200 отметка подошвы ростверка будет -1,70, а толщина дна стакана 0,65 м, что больше минимальной, равной 0,25 м (см. Рис. 5.1).Так как на ростверк действуют горизонтальные силы имоменты, предусматриваемжесткое сопряжение ростверка со сваями путемзаделки свай в ростверк на 50 см. Из них 40 см составляют выпуски арматуры, а 10 см непосредственная заделка (см.

Рис. 5.1, узел А). Тогда условная отметка головы сваи будет -1,200.Отметку острия сваи назначаем в зависимости от грунтовых условий строительной площадки. ИГЭ-3 — супесь пластичная на роль основания свайного фундамента не годится, поэтому в качестве несущего пласта выбираем слой ИГЭ-4 — глина полутвердая, кровля которого находится на глубине 11,9 м (отметка -12,100). Сваи заглубляем в этотслой на 1,1 м, тогда отметка нижнего конца сваи будет -13,200.Длину сваи определяем как разность между отметками головы и нижнего конца: = 13,200−1,200 = 12 м. По ГОСТ [10] марка сваи С12−30.Если вычисленная длина сваи не совпадет с размерами, указанными в ГОСТе, то увеличивают заглубление в несущий слой так, чтобы длина сваи Lполучалась стандартной. Так как свая опирается на сжимаемые грунты, то она относится к висячим. Определение несущей способности сваи по грунту

Для висячей сваи несущая способность является суммой сил расчетных сопротивлений грунтов основания под нижним концом сваи и на ее боковой поверхности и определяется по формуле:

где — коэффициент условий работы сваи в грунте, принимаемый для забивных свай равным 1,0; -расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи, кПа; для забивных висячих свай принимается по [12, табл. 1]; -площадь опирания сваи на грунт, м2; -наружный периметр поперечного сечения сваи, м; - расчетное сопротивление i-го слоя грунта основания по боковой поверхности сваи, кПа, принимаемое для забивных свай по[12, табл. 2]; - толщина i-го слоя грунта, соприкасающегося с боковой поверхностьюсваи, м;, — коэффициенты условий работы грунта соответственно под нижним концом и на боковой поверхности сваи, учитывающие влияние способа погружения сваи на расчетное сопротивление грунта и принимаемые по [12, табл. 3]. Рис. 5.

1. Схема к определению длины и несущей способности сваи

Несущую способность забивной висячей сваи определяем по формуле. В этой формуле: = 1,0; = = 1,0 при погружении сплошной сваи дизель-молотом [12, табл. 3]; = 0,3*0,3 = 0,09 м²; = 4*0,3=1,2 м;расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи составляет = 9320 кПа при заглублении сваи в глинутугопластичную с показателем текучести = 0,05на z0 = 13,0 м [12, табл. 1]. Для определения, грунт на боковой поверхности сваи разделяем на однородные слои толщиной не более 2 м (см. Рис. 5.1). Находим среднюю глубину расположения слоя грунта (расстояние от середины слоя до уровня природного рельефа).

По [12, табл. 2] в зависимости от показателя текучести супеси (= 0,67) или глины (= 0,05) инаименования песка (песок пылеватый средней плотности; песок средней плотности, средней крупности) определяем по интерполяции значения расчетных сопротивлений грунта на боковой поверхности:=1,5 м; =2,25 м; песок пылеватый; = 22 кПа;= 0,92 м; = 3,46 м; песок пылеватый;= 26 кПа;=1,58 м; = 4,71 м;песок средней крупности; = 55,1 кПа;=2,0 м; =6,5 м; супесь = 0,67;= 12,4 кПа; = 1,4 м; = 8,2 м; супесь = 0,67; = 12,7 кПа; = 1,5 м; = 9,65 м; супесь = 0,67; = 12,7 кПа; = 1,5 м; = 11,15 м; супесь = 0,67; = 12,9 кПа; = 1,1 м; = 12,45 м; глина = 0,05; = 68,4 кПа. Подставляя найденные значения в формулу, получим: = = 1204 кН. Размещение свай под ростверком и проверка нагрузок

Количество свай в кусте и расстояние между сваями в ленточном свайном фундаменте устанавливают, предполагая, что в группе свай каждая обладает такой же несущей способностью, что и одиночная. При этом учитывают, что все методы определения несущей способности свай обладают некоторыми погрешностями и при дальнейшем проектировании используют расчетную нагрузку, допускаемую на сваю, и определяемую по формуле:

где — коэффициент надежности, учитывающий точность метода определения несущей способности одиночной сваи;

при определении расчетом значение принимается равным 1,4.Количество свай в кусте в первом приближении определяется по формуле:

где — максимальная для всех сочетаний сумма расчетных вертикальныхнагрузок в обрезе ростверка, кН; - расчетный вес ростверка, на начальном этапе проектирования может быть приближенно принят. Определяем нагрузку, допускаемую на сваю, по формуле: = 1204/1,4 = 860 кН. Нагрузка в обрезе ростверка складывается из веса стены = 467 кН и максимальной для 3 и 4 сочетаний (Таблица 2.1) нагрузки от колонны = 1536 кН: = 467+1536 = 2003 кН. Количество свай вычисляем по формуле: = = 3,1 шт. Принимаем 3 сваи. Располагаем их в виде правильного треугольника, а расстояние между осями свай назначаем минимальным -= 3*0,3 = 0,9 м (Рис. 5.2).Определим нагрузку в подошве ростверка в обоих сочетаниях для расчета по первой группе предельных состояний. Для фундаментов с вертикальными сваями фактическую нагрузку на сваю при действии момента в одном направлении допускается определять по следующей формуле:

где , — соответственно расчетная сжимающая сила, кН, и расчетный изгибающий момент по абсолютному значению, кН· м, относительно оси OY плана свай в плоскости подошвы ростверка; - расстояние от оси OY до оси сваи, для которой вычисляется фактическая нагрузка, м; - расстояние от оси OY до оси каждой сваи.Рис. 5.

2. Эскиз-схема куста свай

Вертикальная нагрузка складывается из веса стены, ростверка и вертикальной силы от колонны, а момент — из момента от веса стены, момента от колонны и момента от горизонтальной силы, приложенной в обрезе ростверка. Уточненный вес ростверка допускается вычислять по формуле:

где, , — соответственно длина, ширина подошвы и высота ростверка, м;- коэффициент надежности по назначению, равный 0,95 для зданийII класса ответственности;- коэффициент надежности по нагрузке, равный для постоянных нагрузок 1,1;- среднее значение удельного веса материала фундамента и грунта на его уступах, принимаемое в инженерных расчетах равным 20кН/м3.Согласно [2], недогруз свай (недоиспользование несущей способности) не должен превышать 15%, перегрузка свай от постоянных и длительных нагрузок должна быть меньше 5%, а при учете кратковременных нагрузок — меньше 20%.Количество свай по несущей способности грунта считается подобранным удачно, если выполняется условие:

Уточненный вес ростверка по формуле: = 0,95*1,1*1,8*1,38*1,5*20 = 78 кН. Нагрузки для 3-го сочетания согласно формуле: = 467+1260+78 = 1805 кН; = -240+18*1,5+467*0,5*(0,51+0,8) — = 573 кН· м; = = 602 ± 637 кН; = 602+637 = 1239 кН; = 602−637 = -35 кН. Нагрузки для 4-го сочетания по формуле: = 467+1536+78 = 2081 кН; = -216+21,6*1,5+467*0,5*(0,51+0,8) — = 554 кН· м; = = 694 ± 616 кН; = 694+616 = 1310 кН; = 694−616 = 78 кН. Наибольшая из максимальных фактических нагрузок на сваю в обоих сочетаниях составляет 1310 кН. Перегруз сваи по формуле: = % = 34,4%, что больше допустимого при учете кратковременных нагрузок. Условиенарушено:= 34,4% > 20%.Кроме того, в сочетании 3минимальные фактические нагрузки на сваю -35 кН меньше нуля. Следовательно, на сваю действуют так же выдергивающие нагрузки, однако в проверке на выдергивающую силу нет смысла, поскольку нарушено условие. Увеличиваем число свай. Принимаем 4 сваи. Располагаем их в два ряда, а расстояние между осями свай назначаем минимальным — = 3*0,3 = 0,9 м (Рис. 5.2).Тогда размеры ростверка в плане составят = 1,5×1,8 м. Уточненный вес ростверка по формуле: = 0,95*1,1*1,8*1,5*1,5*20 = 85 кН. Нагрузки для 3-го сочетания согласно формуле: = 467+1260+85 = 1812 кН; = -240+18*1,5+467*0,5*(0,51+0,8) — = 573 кН· м; = = 453 ± 318 кН; = 453+318 = 771 кН; = 453−318 = 135 кН. Нагрузки для 4-го сочетания по формуле: = 467+1536+85 = 2088 кН; = -216+21,6*1,5+467*0,5*(0,51+0,8) — = 554 кН· м; = = 522 ± 308 кН; = 522+308 = 830 кН; = 522−308 = 214 кН. Наибольшая из максимальных фактических нагрузок на сваю в обоих сочетаниях составляет 830 кН. Сваи недогружены. Недогруз сваи по формуле: = % = -3,6%, что меньше допустимого при учете кратковременных нагрузок. Условиевыполняется:-15% <= -3,6% < 20%.Таким образом, выбранное количество свай удовлетворяет расчетам по несущей способности грунта основания. Используя ранее найденные размеры и соблюдая конструктивные требования, вычерчиваем схему запроектированного свайного куста (см.

Рис. 5.3).Рис. 5.

3. Окончательная эскиз-схема куста свай

Расчет осадки основания свайного фундамента

Для расчета осадки основания запроектированного свайного фундамента строим условный фундамент. Границы условного фундамента определяются следующим образом (Рис. 5.4):снизу — плоскостью АБ, проходящей через нижние концы сваи;

с боков — вертикальными плоскостями АБ и БГ, отстоящими от наружныхграней крайних рядов вертикальных свай на расстоянии (-глубина погружения свай в грунт), но не более в случаях, когда под нижними концами свай залегают пылевато-глинистые грунты с показателем текучести JL > 0,6;сверху — поверхностью планировки грунта ВГ. Здесь — осредненное расчетное значение угла внутреннего трения грунта, определяемое по формуле:

где — расчетное значение угла внутреннего трения для отдельных пройденных сваями слоев грунта, толщиной .По формуле определяем осредненное значение угла внутреннего трения: = = 24,7о; = = 6,2о; = 0,109.Размеры подошвы условного фундамента складываются из расстояния между осями крайних свай, стороны сечения сваи и, где — расстояние от внешней грани сваи до границы условного фундамента, (см. Рис. 5.4).В направлении оси (ширина подошвы условного фундамента): = 0,9+0,3+2*11,5*0,109 = 3,71 м;в направлении оси х (длина подошвы условного фундамента): = = 3,71 м. Глубина заложения условного фундамента =13,0 м. Вес условного фундамента: = 3,71*3,71*13,0*20,0*0,95 = 3400 кН. Суммарная вертикальная нагрузка в подошве условного фундамента: = 1280+467+3400 = 5147 кН.Рис. 5.

4. Схема к построению условного фундамента и определению осадки

Среднее давление под подошвой условного фундамента: = = 374 кПа. Расчетное сопротивление грунта в подошве условного фундамента определяется по формуле, в которой все параметры приняты для опорного слоя — ИГЭ-4.Расчетное сопротивление глины полутвердой, находящейся под подошвой фундамента, вычисляем при коэффициентах = 1,25 для пылевато-глинистогогрунта с < 0,25и = 1,0, поскольку здание имеет гибкую конструктивную схему. Коэффициент = 1,1, так как прочностные характеристики определены по табл. 1−3 прил. 1 [2]. При = 17° (Таблица 3.1) согласно табл. 4 [2] = 0,39; = 2,57; = 5,15. Одновременно принимаем = 0 и = 13,0 м для бесподвальных сооружений. Определяем и. В пределах глубины заложения условного фундамента = 13,0 м залегают следующие грунты:

грунт почвенно-растительного слоя мощностью = 1,51 м, удельный вес = 17,66 кН/м3;ИГЭ-1 песок пылеватый, насыщенный водой, мощностью = 2,41 м, удельный вес с учетом взвешивающего действия воды = 9,86 кН/м3;ИГЭ-2 песок средней крупности средней плотности, насыщенный водой, мощностью = 1,58 м, удельный вес с учетом взвешивающего действия воды = 9,73 кН/м3;ИГЭ-3 супесь пластичная насыщенная водой, мощностью = 6,4 м, удельный вес с учетом взвешивающего действия воды = 10,61 кН/м3;ИГЭ-4 глина полутвердая, мощностью = 1,1 м, удельный вес без учета действия воды (водоупор) = 19,72 кН/м3.Осредненное значение: = = 11,95 кН/м3.Ниже подошвы фундамента залегает ИГЭ-4: = 19,72 кН/м3; = 40,7 кПа. Тогдапоформуле: = = 724кПа. Условие = 374 кПа< = 724 кПа выполняется. Переходим к расчету осадки основания свайного фундамента. Основание ниже подошвы условного фундамента разбиваем на слои толщиной = 0,2*3,71 = 0,74 м (см. Рис. 5.4). В отсутствие геологической информации о грунтах, залегающих ниже отметки -15,000, принимаем, что ниже подошвы на неограниченную глубину залегает слой ИГЭ-4 — ничего другого нам не остается. На границе каждого слоя определяем напряжения от собственного веса грунта:

где — напряжения от собственного веса грунта в уровне подошвы условного фундамента:= 13,0*11,95 = 155 кПа;и дополнительные напряжения: = (374−155) = 219. Коэффициент принимаем по табл. 1 [2, прил. 2] в зависимости от относительной глубины и соотношения сторон подошвы условного фундамента = 3,71/3,71 = 1,0(здесь — расстояние от подошвы условного фундамента до границы рассматриваемого слоя).Промежуточные вычисления производим в табличной форме (Таблица 5.1).Таблица 5.

1. К расчету осадки основания свайного фундаментаz, м= 2z/bhaszg, кПа0,2szg, кПаszp, кПаszpi, кПаh, мgII, кН/м3Е, кПа001,01,15 531 219 214,50,7419,72 225 000,740,41,00,96 017 034 210 192,50,7419,72 225 001,480,81,00,800 185 371 751 540,7419,72 225 002,221,21,00,60 620 040 133 115,50,7419,72 225 002,961,61,00,4 492 154 398 860,7419,72 225 003,72,01,00,3 362 304 674 650,7419,72 225 004,442,41,00,2 572 454 956 500,7419,72 225 005,182,81,00,2 012 605 244нижняя граница сжимаемой толщи

Граница сжимаемой толщи находится на глубине H0 = 5,18 м, так как здесь = 44 кПа < = 52 кПа. Подставляя найденные значения в формулу, получим размер осадки: = = 2,31 см. Расчетное значение осадки основания свайного фундамента меньше предельного: = 2,31 <=8 см. Условие расчета основания по деформациям выполняется. Технико-экономическое сравнение вариантов фундаментов

Не вдаваясь в подробности и не выполняя сметный расчет, проведем приближенное сравнение вариантов — фундамент мелкого заложения на естественном основании и свайный фундамент из забивных свай — применительно к заданным (достаточно неблагоприятным) грунтовым условиям. Оценку проведем по двум критериям: объем железобетона «в деле» и объем земляных работ. Результаты вычислений сведем в таблицу (Таблица 6.1).Таблица 6.

1. Сравнение вариантов фундаментов

Вид фундамента

Критерии сравнения

Объем железобетона «в деле», м3Объем земляных работ, м3Фундамент на естественном основании8,64 276,1Свайный фундамент4,32+3,17 = 7,4917,6Таким образом, мы можем видеть: хотя расход бетона для устройства свайного фундамента всего на 8,64−7,49 = 1,15 м³ меньше (при оценке просуммировали объем сборного железобетона в сваях и объем монолитного железобетонного ростверка), но разница в объеме земляных работ по сравнению с фундаментом мелкого заложения просто колоссальна! Она составляет 276,1−17,6 = 258,5 м³. Таким образом, даже с учетом привлечения специализированной техники для забивки свай, такая разница в объемах делает для наших условий свайный фундамент в значительной мере более надежным и выгодным. Выбор однозначен и очевиден — свайный фундамент.

Список литературы

СНиП 2.

01.07−85*. Нагрузки и воздействия.- М.: Стройиздат. СНиП 2.

02.01−83* (2000). Основания зданий и сооружений. — М.: Стройиздат. СНиП 23−01−99. Строительная климатология. -

М.: Стройиздат. Пособие к СНиП II-9−85. Пособие по составлению и оформлению документации инженерных изысканий для строительства. Часть 2. Инженерно-геологические (гидрогеологические) изыскания. ГОСТ 25 100–2011

Грунты. Классификация. — М.: Стройиздат. Основания, фундаменты и подземные сооружения: Справочник проектировщика / под общ. ред. д-ра техн. наук, проф. Е. А. Сорочана, канд. техн. наук Ю. Г. Трофименкова. — М.: Стройиздат, 1985. СНиП 2.

03.01−84. Бетонные и железобетонные конструкции. — М.: Стройиздат. Пособие по проектированию фундаментов на естественном основании под колонны зданий и сооружений (к СНиП 2.

03.01−84 и СНиП 2.

02.01−83) — М.: Стройиздат. ГОСТ 23 279–2012

Сетки арматурные сварные для железобетонных конструкций и изделий. Общие технические условия19 804−91. Сваи железобетонные. Технические условия. — М.: Стройиздат. Серия 1.

011.

1−10 Сваи забивные железобетонные. Выпуск 1. Часть 1. Сваи цельные сплошного квадратного сечения с ненапрягаемой арматурой. — М., Изд-во инст. Фундаментпроект, 1989. СНиП 2.

02.03−85. Свайные фундаменты. — М.: Стройиздат.